В статье представлены подходы, разрабатываемые авторами на кафедре «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» по внедрению результатов научных исследований в практику обучения бакалавров и магистров.
Ключевые слова: курс, исследование, дисперсная система, кинетика, сушка, система.
Практический курс большинства дисциплин, входящих в систему подготовки бакалавров и магистров, как правило, включает в себя выполнение лабораторных работ, расчет и обоснование полученных при выполнении лабораторных работ результатов, практикум решения типовых задач и курсовое проектирование.
Наибольшую важность для освоения и применения современных знаний имеет возможность переноса полученных в результате проведения научных исследований данных в учебную практику. Особенно это касается лекционного материала и исследовательских курсовых проектов.
При выполнении курсового проекта студент не только углубляет свои знания в теоретической и практической стороне рассматриваемого процесса, но и приобретает навыки самостоятельного научного исследования, поиска правильного пути решения конкретных практических задач, понимания взаимосвязи научной гипотезы или закона с экспериментом, а также закрепляет полученные ранее теоретические знания и практические навыки.
Приведем пример подобного перехода знаний из области научных исследований в область учебных курсов. На кафедре «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» проводились исследования по сушке капель жидких дисперсных продуктов.
В процессе высушивания капель исследуемых жидкостей (воды, эталона, послеспиртовой барды) изменялась форма поверхности капли, ее размер и цвет поверхности. Для решения задач тепло-массопереноса знание истинной формы капли в заданный момент времени является весьма важным.
Проводились эксперименты по изучению кинетики сушки капель воды и жидкой послеспиртовой барды на твердой горизонтальной диффузионно-непроницаемой подложке [1, с. 633].
В качестве подложки был выбран фторопластовый диск. Адгезия воды к поверхности подложки минимальная. Это подтверждается визуальными наблюдениями за процессом нанесения капли на поверхность и процессом одностороннего бокового обдува подложки с каплей. Так например, при скорости обдува около 5 м/с капля начинает деформироваться и уноситься с подложки. Дальнейшее увеличение скорости воздуха (более 7 м/с) приводит к полному сдуву капли воды с подложки.
Жидкая барда может содержать до 93 % воды. Однако ее смачивающие способности гораздо выше, чем у воды. Нами проводились эксперименты по определению угла смачивания барды и фторопласта, однако они показали, что имеется сильная зависимость угла смачивания от свежести барды, режима работы бражной колонны и чистоты поверхности фторопласта [4, с. 621].
Можно утверждать, что барда имеет хорошую адгезию к фторопласту и угол смачивания может лежать в диапазоне от 45 до 90 град. Капля барды, нанесенная на дисковую фторопластовую подложку сохраняет форму при боковом обдуве при скоростях воздуха до 8–9 м/с.
Для анализа характера изменения формы и размеров высыхающих капель использовалась макро-фото-видеосъемка. Как показал анализ видеозаписей характер высыхания капли воды и капли жидкой барды разный. Для воды характерно изменение положения линии контакта жидкость-твердое тело во времени (т.н. режим депиннинга) [5, с. 278].
Для жидкой барды наоборот, характерно постоянство положения линии контакта жидкость-твердое тело во времени (т.н. режим пиннинга). В процессе испарения капли жидкой барды с поверхности подложки толщина капли постоянно изменяется, а диаметр капли остается постоянным
Полученные результаты исследований обладают научной новизной, их применение при обучении студентов по курсам «Процессы и аппараты химических производств» и «Математическое моделирование технологических процессов» является весьма актуальной задачей.
На кафедре «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» существуют, составленные на основе многолетнего опыта, разнообразные задания, методические указания по выполнению типовых лабораторных и курсовых работ, связанных с тематикой сушки жидких дисперсных продуктов [2, с.339].
Теоретический материал по расчетам типовых процессов и аппаратов химической технологии широко представлен в специальной литературе, выдается на теоретических занятиях, лекциях и частично в процессе практических занятий по решению типовых задач.
Наибольшую трудность при конкретных расчетах у студентов вызывает доступ к надежным справочным данным, таким как стандартные размеры и виды конструкций аппаратов и их составных частей, типовые размеры деталей, физико-химические свойства различных материалов. Эти данные разрознены по справочной литературе и зачастую физически недоступны для студента.
Поэтому, для систематизации теоретических и практических данных по существующим на кафедре «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» курсам создана электронная обучающая справочная система, имеющая возможность постоянного систематизированного обновления, за счет добавления в нее результатов научных исследований [3, с 293].
В процессе создания системы были пройдены следующие этапы разработки и развития проекта:
- Разработана структура электронной системы;
- Определен состав необходимых баз данных и проведено их предварительное заполнение;
- Разработана система запросов к базам данных;
- Произведено Альфа тестирование полученной системы.
В результате предварительного тестирования системы был произведен учет недостатков системы и пожеланий тестировавших. Была выработана схема общей подсистемы запросов к базам данных и система дополнения новыми знаниями.
В результате в системе имеется теоретическая часть, часть с примерами решения типовых задач, система контекстного поиска и помощи к теоретической части и части примеров.
На данный момент производится дальнейшее тестирование электронной системы в области объединения баз данных, подсистемы запросов, теоретической части, части примеров, контекстной помощи и поиска в единый программный комплекс.
Разработанная система объединяет обширные теоретические знания в рассматриваемых в курсах «Процессы и аппараты химических производств» и «Математическое моделирование технологических процессов» областях тепло-массобмена со всеми необходимыми для расчетов и проектирования справочными данными. Представление справочных данных в электронном виде позволяет эффективно использовать их в расчетных программах на ЭВМ.
Учебный материал представлен в системе в текстовом виде снабженном рисунками, гиперссылками, контекстной справкой и поиском. Представление теоретических данных в текстовом виде, снабженном рисунками, позволяет студенту на экране компьютера ознакомиться с расчетом данного процесса, просмотреть принцип и методы решения задачи, посмотреть общий вид аппаратов и связанные с ними графики и диаграммы.
Использование гиперссылок (текстовых, графических и звуковых) позволяет сделать обычный текстовый документ нагляднее, а главное создает возможность навигации по документу и переход к отмеченным разработчиком местам документа.
Контекстная справка внутри документа позволяет выдать на экран определенные справочные данные, которые не приводятся в тексте.
Пример расчета процесса сушки содержит
алгоритм расчета кинетики сушки
блок-схема алгоритма расчета на ЭВМ
результаты расчет с использованием описанных выше возможностей системы.
Расчет аппарата с использованием возможностей системы включет в себя справочную информацию об использовании системы как программного продукта, а также указания по практическому применению тех или иных данных полученных с помощью компьютера. Справочная информация об использовании системы как программного продукта, представляет собой описание возможностей системы, принципа ее работы. Она дает ответы на вопросы об установке системы на компьютер, конфигурировании системы и работы с ней.
Литература:
- Пахомов, А. Н. Возможности самоорганизации дисперсных систем при сушке на подложке / А. Н. Пахомов, Ю. В. Пахомова, Е. А. Ильин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2012.- Т. 18, № 3, — С.633–637
- Пахомов, А. Н. Расчет кинетики сушки капли жидкости на подложке / А. Н. Пахомов, Б.Ш. Д. Аль Саиди, Е. А. Ильин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2013. — Т.19, № 2, — С. 339–345.
- Пахомов, А. Н. Алгоритм расчета кинетики испарения капли с диффузионно-непроницаемой подложки / А. Н. Пахомов, Е. А. Ильин // «Вопросы современной науки и практики». — Университет им. В. И. Вернадского, № 2(45), 2013 г. — С. 292–296
- Пахомов, А. Н. Типы кинетических кривых, получаемых при сушке капель жидких дисперсных продуктов/ А. Н. Пахомов, Ю. В. Пахомова // Химическая технология. 2014. № 10.- С. 620–623.
- Пахомова, Ю. В. Выбор характерных высушиваемых пастообразных материалов/Ю. В. Пахомова, Д. А. Кривопалова, В. В. Кочетов, М. А. Мамедова// Молодой ученый. 2015. № 10 (90).- С. 277–279.
